基于OBE理念的數媒技術專業“計算機圖形學”課程教學改革

吳鋒　王爾涵　王愛雨

關鍵詞：OBE；計算機圖形學；新工科；混合教學模式

中圖法分類號：TP391 文獻標識碼：A

1引言

1981年，美國學者Spady首次提出成果導向教育（Outcome Based Education，OBE）理念。該理念倡導以學生為主導，學習成果（即通過學習，學生獲得了什么賴以生存的能力）為導向設計并持續改進教學目標、教學內容和教學方法等。2017年6月9日，教育部在北京召開“新工科”研究及實踐專家組成立暨第一次工作會議，要求全面落實“學生中心，成果導向，持續改進”。近年來，教育部提出“新工科”概念并重點發展新工科研究與實踐項目。國內高校紛紛開展OBE專業建設與教學改革工程教育專業認證理念，面向全體學生，關注學習成效。

2工程教育與OBE

2.1 OBE理念的核心

首先以學生為中心：教師要關注學生最終需要獲得怎樣的能力，即教學目標。其次以成果為導向的課程設計：教師要關注學生需要學習哪方面知識技能，而不是教師想要傳授什么。最后持續改進質量保障體系：教師要以最終的目標作為起點反向進行課程設計，打造一個新型的課程體系，以確保所有的教學活動指向最終學習成果，并且要檢驗這些學習活動對于最終學習成果是否有效。

2.2 OBE課程設計的邏輯框架

調研所在專業的行業需求，其決定了專業的培養目標，專業的培養目標決定了所在專業學生的畢業要求，由畢業要求決定了該專業的課程體系，具體到某一課程（如“計算機圖形學”），深入研究該課程的教學內容、教學方式以及可以利用的線上線下教學資源。完善整個體系后，需要對該專業畢業生進行跟蹤，聽取行業的反饋（畢業生及用人單位的反饋），根據反饋來做持續的改進。根據改進的意見重新制定培養目標。例如，學生達到的畢業要求實際上是學校對社會輸送人才的初級階段，也可以認為工程師的初級階段，其從事本專業5年并具備所對應的能力，才算是一名真正的工程師。

2.3 OBE理念對高校課程學習評價的啟發

（1）以目標為導向制定教學目標。

（2）注重學生能力素質的培養。

（3）采取多元的評價方法。

（4）注重評價體系的公平公正性。

（5）制定合理的評價準則。

以上有3條都出現評價，我們需要合理評價學生的學習產出，而且依據評價提出改進意見，評價在OBE建設中是非常關鍵的環節。

“計算機圖形學”作為數媒技術專業必修課對學科建設專業基礎具有重要地位和作用。其課程改革主要有3方面：首先基于教學內容方面改革：其次基于教學方法及教學手段的改革：最后基于教學模式上的革新。

利用線上線下混合教育，學生根據各自需要在多樣的空間、以多樣的方式進行學習，即所有的實際空間成為學習的空間，所有的碎片化的時間都可以成為學習時間。基于問題的教學方法，將教學內容里的知識點及重點設計成層層問題，以學生為主導，充分考慮學生的學習成果，尊重學生的個體化差異，空松的時間和環境有助于培養具有自主學習綜合素質能力、實踐創新能力、應用能力和國際視野的高素質優秀人才。

3數字媒體專業“計算機圖形學”課程研究內容、課程目標及課程體系

3.1“計算機圖形學”課程主要研究內容

通過計算機將數字信息、數據信息轉換成圖形，并在專門的顯示設備上顯示其原理、方法和技術。例如，我們眼睛感知的“客觀對象”，自然界一只兔子，通過計算機的代碼生成技術計算生成計算機對象模型，得到“客觀對象”的數學模型——“對象模型”，經過計算機加工處理生成具有三維特征的模型——“顯示對象”：有了虛擬的對象模型，計算機可以通過改變數據參數，得到不同形態的對象也就形成了——“對象動畫”。這是計算機圖形學處理圖像的過程（如圖1所示）。

3.2“計算機圖形學”課程核心目標

其課程核心目標是產生真實感圖像——視覺交流：通過圖形或幾何的方式來表示或展示一些問題或信息。具體分為以下3步。

第一問題——觀察：通過觀察、思考，明確問題或要傳達的信息。

第二問題——幾何：通過建立幾何模型，表達問題。

第三幾何——圖像：由幾何模型生成圖像，將問題或信息可視化，達到視覺交流的目的。

“計算機圖形學”課程分為3個模塊，即基礎模塊、建模與表示模塊、繪制模塊。（1）基礎模塊是向量、矩陣、齊次坐標和幾何變換等。主要的軟、硬件基礎知識涉及圖形API，如OpenGL、Direct3D等軟件，硬件知識圖形輸出設備與輸入技術的簡單基礎知識，如光柵顯示器基礎原理、顏色處理與顏色模型。（2）建模與表示模塊是研究如何用圖形方式表示現實或虛擬世界中的對象與信息，如一棟建筑、一輛汽車或者一個電影角色。模型在外部顯示上通常以點、線、面、體等各種幾何元素組合來表示，而在計算機內部通過坐標、連接關系所對應的幾何信息與拓普信息來表示。（3）繪制模塊將計算機對象的數字幾何模型轉換成直觀形象的圖形或圖像，是數字幾何模型的視覺可視化過程。繪制應用程序：給圖形系統提供幾何模型信息。幾何處理：幾何圖元處理（插值）、投影、裁剪。像素處理：光柵化、像素著色。

基于OBE制定“計算機圖形學”課程目標。

（1）具備解決復雜圖形問題所需的專業知識和技能。

（2）掌握軟件圖形增項設計理論方法，具備程序代碼開發技能。

（3）掌握軟件開發過程中所使用的工具。

（4）具備口頭與書面的專業問題表達與交流能力。

（5）具備自主學習能力。

3.3“計算機圖形學”課程體系

“計算機圖形學”課程的相關學科跨度較大。圖像處理是將客觀世界中原來存在的物體影像處理成數字化圖像，如圖像壓縮、圖像復原、圖像增強技術（計算機圖形學重要研究）。模式識別是用數學技術來研究模式的自動處理和判斷，如語言識別人臉識別。幾何模型研究如何方便靈活、有效地建立幾何形體的數學模型以及在計算機中更好地儲存和管理這些模型數據。如建立數學模型以及存儲模型數據。

計算機圖形學重點是從數據到圖像的生成。其中，明確課程目標對畢業設計要求的支撐關系。

（1）工程技術知識：具備解決復雜圖像軟件工程問題所需要的專業知識——課程目標1。

（2）為工程問題提出行之有效的解決方案：掌握計算機圖形學設計理論與方法，具備圖形軟件開發技能——課程目標2。

（3）技術應用及現代工具使用：掌握圖像軟件開發過程中的使用工具——課程目標3。

（4）溝通：具備口頭與書面的專業問題表達與交流——課程目標4。

（5）終身學習能力：具備自主學習能力——課程目標5。

3.4基于OBE理念的“計算機圖形學”課程評價機制

具體如表1所列。

4基于OBE理念的“計算機圖形學”課程線上線下混合教學

4.1教學目標和評價機制

傳統圖形學教學多數以教師為中心，重點在課堂講授圖形相關數據原理或者圖形技術算法，通過平時成績和期末考查來檢驗學習和教學效果，教學目標是讓學生掌握軟件繪制圖形原理甚至理解算法原理。前者重實踐而輕理論，容易使學生掌握知識不深人，不能總體看待問題，無法實現理論創新；后者輕實踐重理論，易使課程教學枯燥乏味，尤其是數媒的學生對于圖形圖像形成原理感覺枯燥乏味，降低了學生學習興趣。這種傳統的教學內容一刀切，忽略了學生的個體差異，以及學生學習能力、創新能力、綜合應用能力和學生視野的培養。

為了適應數字媒體技術專業經濟社會發展對人才培養的新要求，借著國家建設“新工科”的東風，本文提出了新的計算機圖形學教學目標。新的教學目標基于OBE理念反向設計，充分考慮學生的個體化差異，主要圍繞學生的基礎理論、創新思維、編程實踐和綜合應用4大主題而設立。借助互聯網教育平臺為教師提供多維視角，及時了解學生動態，為師生搭建暢通無阻的溝通渠道，構建閉環課程評價體系，提升學生學習體驗，培養學生自主學習、創新、實踐應用能力和國際視野。在此基礎上，還需要考慮學生個性化需求，在教學過程中借助互聯網采取靈活多樣的教學策略，并提供豐富的教學內容。

4.2教學內容及教學策略

計算機圖形學涉及多學科知識，內容寬泛、抽象。結合OBE理念并以學生畢業所用到的知識為主線，采用課堂授課方式傳授經典理論知識。考慮到計算機科學與技術專業的基本要求以及學生的未來發展需求，基于OBE理念，在充分尊重學生的基礎上，將課程內容分為經典理論、前沿技術和實踐應用3部分，通過將豐富的互聯網資源有機融入教學過程中，實現理論與實踐、講授與討論、經典與前沿、閱讀與思考相結合的線上線下混合教學。線上教學內容是知識的補充與延伸，而線下教學內容則是知識的線上教學，為學生提供信息化服務，利用網絡平臺提供的豐富功能及時了解學生的學習動態，適時調整教學內容，構建基于OBE理念的閉環教學評價體系。線下教學分為課堂教學和編程實踐。為便于學生課后自主學習，同步課堂，課堂教學改變以往傳授的教學方式，以解決問題啟發引導式教學，重點引導學生自主整合知識點、構建個性化知識體系。通過課前預習內容的鋪墊，引導學生發現問題；組織小組討論，啟發學生自主分析、解決問題；最后教師課堂總結，總結算法中可以復用的經典思想，通過文獻導讀引導學生了解相關前沿知識，啟發學生課后延伸思考。實踐環節加深對基礎理論知識的理解，給學有余力的學生提供拓展知識和創新的土壤，通過拓展閱讀和問答形式，深化基礎理論，緊跟學科前沿。

5結束語

數字媒體技術專業以畢業設計為目標，專業方向就業為前提進行計算機圖形學教學改革，以OBE教學模式為評價標準，不斷豐富教學模式，提升教育教學質量，完善教學評價合理性，有助于計算機圖形學課程教學目標的達成，以及教學效果的實現，從而提升數字媒體專業畢業學生的技能和專業素養。

作者簡介：

吳鋒（1981—），碩士，副教授，研究方向：計算機圖形設計表達。